李改軍 趙宗強 新疆圣雄氯堿有限公司

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎，是人類文明進步不可或缺的基本條件。在中國社會主義現(xiàn)代化的偉大進程中，能源問題始終是一個重大的戰(zhàn)略問題。為緩解能源與經(jīng)濟發(fā)展的矛盾，節(jié)能技術(shù)的研究發(fā)展顯得尤為重要[1]。換熱器是一種廣泛應用的節(jié)能設備，是工農(nóng)業(yè)傳熱過程中必不可少的工具，在化工、石油、冶金、核能、電子、糧食干燥等領(lǐng)域都有很廣泛的應用。列管式換熱器由于其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易和維修方便，在換熱器行業(yè)中占有很大的比重。強化傳熱技術(shù)是提高列管式換熱器能量轉(zhuǎn)換效率最重要的技術(shù)手段之一，國內(nèi)外學者對強化傳熱技術(shù)也進行了廣泛和細致的研究[2]。

強化傳熱技術(shù)是指能顯著改善傳熱性能的節(jié)能科學技術(shù)。強化傳熱技術(shù)的主要內(nèi)容是改進換熱器結(jié)構(gòu)、采用強化傳熱元件來提高傳熱效率，并且降低設備運行和維護的費用。熱量傳遞方式一般分為三種：熱傳導、熱對流及熱輻射，故對強化傳熱技術(shù)的研究也是從這三種方式展開的，而對流換熱方式一直是研究的熱點[3]。在流體無相變的對流換熱過程中，影響對流換熱強度的因素主要有：流體的物性、流體的流動狀態(tài)、流動環(huán)境的大小及形狀等，工程實際應用中會綜合考慮各種因素來達到較好的換熱效果。

一、實驗系統(tǒng)及方法

（一）實驗裝置

本文實驗由自行設計并在安徽環(huán)態(tài)生物能源科技開發(fā)有限公司搭建的開式換熱器平臺上完成，實驗系統(tǒng)分為風路和水路循環(huán)兩部分。采用熱水加熱冷空氣，換熱管內(nèi)通熱水，管外空氣橫掠管束進行換熱。在引風機的作用下，空氣先后經(jīng)過前穩(wěn)定段、實驗段、后穩(wěn)定段、收縮段和測速段，最后從引風機出口排出。熱水在水泵的作用下，從智能溫控鍋爐流出，并依次流過閥門、水泵、電磁流量計和實驗管管內(nèi)，最后流回鍋爐中。溫度傳感器測量得到的數(shù)據(jù)由安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集儀讀取并同步保存于電腦中[4]。

實驗段長、寬和高的尺寸均為550mm，采用正五邊形及正三角形兩種管束排列方式，換熱管為Φ45×3mm的碳鋼管，測速段為邊長300mm，長1.5m的方管。

（二）實驗方法

實驗時，調(diào)節(jié)水泵變頻器頻率控制熱水流量，通過計算得出每根換熱管內(nèi)雷諾數(shù)在11000左右，滿足單管內(nèi)水流為湍流狀態(tài)。智能溫控鍋爐能在較長時間內(nèi)保持熱水出口溫度為一恒定值，溫度值上下波動＜0.5℃。通過引風機變頻器調(diào)節(jié)引風機流量，計算得到在換熱管內(nèi)雷諾數(shù)恒定時空氣側(cè)的一組雷諾數(shù)，再測量并計算對應的熱水和空氣的換熱量和空氣側(cè)壓降。

具體實驗步驟如下：

（1）實驗段先采用正三角形管束排列方式，其中電磁流量計水平安裝于水泵下游，且保證其上游直管段≥10DN，下游直管段≥5DN，其中DN為直管段管徑。

（2）在前、后穩(wěn)定段同一截面處各均勻布置9個溫度測點，并分別安裝熱電阻溫度計以測量空氣進出口溫度。微壓計與L型皮托管一道用于測量空氣流經(jīng)實驗段的壓差，其測點布置與溫度測點布置相同。在測速段前5/8長度處同一橫截面上均勻布置5個測點，用于空氣流速的測量。在靠近實驗段的熱水進、出口管道內(nèi)各安裝一個熱電阻溫度計以分別測量熱水進出實驗段的溫度。所有溫度計均連接數(shù)據(jù)采集儀。

（3）打開引風機，以檢查風路中有無明顯漏風。智能溫控鍋爐內(nèi)裝滿水，打開水泵、全開水泵變頻器，檢查水路循環(huán)系統(tǒng)中是否存在漏水。若氣密性良好，則進行下一步實驗，否則重新密封各管段連接處。

（4）打開引風機，調(diào)節(jié)引風機變頻器至某一頻率，并在測速段測量空氣流速，記錄頻率值及對應的風速值；繼續(xù)調(diào)節(jié)引風機變頻器頻率，得到一組頻率與風速的實驗值。關(guān)閉引風機。

（5）將智能溫控鍋爐內(nèi)熱水加熱到一定溫度（60℃），待水溫穩(wěn)定后（上下波動＜0.5℃），打開水泵，調(diào)節(jié)水泵變頻器頻率并觀察電磁流量計示數(shù)，當熱水流量達到預先設定的值后，記錄此時水泵變頻器頻率，整個實驗過程保持該流量值不再變化。打開引風機，調(diào)節(jié)引風機變頻器頻率在某一實驗值，打開數(shù)據(jù)采集儀及電腦，觀察空氣進、出口溫度及熱水進、出口溫度變化曲線，待各溫度值穩(wěn)定后，開始測量并記錄實驗段前后空氣的壓差及測速段空氣流速。維持溫度曲線穩(wěn)定時間在1h左右后，停止該組實驗，關(guān)閉實驗儀器。所有溫度數(shù)據(jù)同步保存于電腦中。

（6）重復第5步，直到完成相同熱水流量和初始溫度（60℃）條件下，按第4步設定的風機變頻器所有工況的實驗。

（7）更換實驗段為正五邊形管束排列方式，重復上述實驗。

圖1 溫度測點布置示意圖

二、實驗結(jié)果分析

當Re在5000～9400范圍內(nèi)時，綜合性能評價因子η在0.983～1之間，此時正五邊形管束綜合傳熱性能不及正三角形管束（圖2）。當Re在9400～22000范圍內(nèi)時，綜合性能評價因子η在1～1.08之間，均大于1，說明在此Re范圍內(nèi)，正五邊形管束較正三角形管束的綜合傳熱性能有所提高。隨著Re的增加，η值呈上升趨勢，說明綜合傳熱性能提高幅度隨著Re的增加而增大，在高Re時，正五邊形管束的綜合傳熱性能比正三角形管束更好。

圖2 綜合性能評價因子η隨雷諾數(shù)Re的變化規(guī)律

三、結(jié)語

當Re在5000～9400范圍內(nèi)時，綜合性能評價因子η＜1，正五邊形管束綜合傳熱性能不及正三角形管束；當Re在9400～22000范圍內(nèi)時，η在1～1.08之間，正五邊形的綜合傳熱性能更佳?？諝饬鹘?jīng)管束的對流換熱中，高 Re 時可采用正五邊形管束排列方式以提高管束的綜合傳熱性能。